(57)【要約】【課題】  マイクロ波の発信精度等がそれほど高くなくても、正確に移相量を検出することができ、低コスト且つ安定した被測定物の物理量を測定することができる物理量の測定方法及び測定装置を提供する。【解決手段】  マイクロ波発信器Ｐから発せられたマイクロ波の基準出力と茶葉を介して伝播したマイクロ波の出力とを比較して得られる移相量を検知し、該移相量に基づいて当該茶葉の含水率（物理量）を測定する物理量測定方法において、基準出力は、その波形の周期に対応する波形の１周期である３６０度とされつつ被測定物を介して伝播した出力の波形に対応する波形と比較され、移相量が求められるものである。【選択図】図７
2005265496.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波発信手段から発せられたマイクロ波の基準出力と被測定物を介して伝播したマイクロ波の出力とを比較して得られる移相量を検知し、該移相量に基づいて当該被測定物の物理量を測定する物理量測定方法において、
前記基準出力は、その波形の周期に対応する波形の１周期である３６０度の自然数倍とされつつ被測定物を介して伝播した出力の波形に対応する波形と比較され、前記移相量が求められることを特徴とする物理量の測定方法。
【請求項２】
前記移相量及びマイクロ波の減衰量に基づき被測定物の含水率を算出することを特徴とする請求項１記載の物理量の測定方法。
【請求項３】
マイクロ波を送信し得るマイクロ波発信手段と、
該マイクロ波発信手段にて発信されたマイクロ波における被測定物を介して伝播した出力を受信し得るマイクロ波受信手段と、
前記マイクロ波発信手段で送信されたマイクロ波の基準出力と、前記マイクロ波受信手段で受信されたマイクロ波の出力とを比較して移相量を検出する比較演算手段と、
を具備し、前記比較演算手段にて検出された移相量に基づき被測定物の物理量を測定する物理量の測定装置において、
前記基準出力の波形の周期に対応する波形の１周期である３６０度の自然数倍に変換する変換手段を具備したことを特徴とする物理量の測定装置。
【請求項４】
前記マイクロ波受信手段で受信された出力から減衰量を検出する減衰量検出手段を具備し、当該減衰量及び前記移相量に基づき、被測定物の含水率を求めることを特徴とする請求項３記載の物理量の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波発信手段から発せられたマイクロ波の基準出力と被測定物を介して伝播したマイクロ波の出力とを比較して得られる移相量を検知し、該移相量に基づいて当該被測定物の物理量を測定するための物理量の測定方法及び測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
茶葉の加工工程においては、そのほとんどが揉乾装置（葉打ち機、粗揉機、揉捻機、中揉み機、中揉機、精揉機等）を用いて茶葉を揉みつつ乾燥させる作業工程であり、加工途中における茶葉の乾燥状態（茶葉の含水率）を把握することが、品質管理上、極めて重要となっている。それ故、従来より、茶葉の含水率を測定するための装置が種々提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１にて開示された茶葉の含水率測定装置は、加工中の茶葉を収容する収容空間に臨ませてマイクロストリップ線路が配設されており、該マイクロストリップ線路をマイクロ波の伝播経路とするとともに、その減衰量を求めている。即ち、マイクロストリップ線路をマイクロ波が伝播する過程において、その一部が茶葉中に含まれる水分に吸収されて減衰するので、当該減衰量と茶葉に含まれる水分量とは相関しており、発振したマイクロ波の減衰量に基づいて含水率を算出することができるのである。
【０００４】
然るに、本出願人は、茶葉の如き被測定物の水分率を更に正確に得るべく種々検討した結果、上記減衰量と、マイクロストリップ線路のもう一つの特性である「移相量」との比が被比測物における含水率と極めて高い相関を有することに着目するに至った。即ち、マイクロストリップ線路から発せられるマイクロ波の基準出力と被測定物を介して伝播したマイクロ波の出力とを比較して得られる移相量と減衰量とをそれぞれ検出し、これらパラメータに基づいて被測定物の物理量である含水率を算出するのである。
【特許文献１】特開２０００−４６７５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記した物理量の測定方法においては、マイクロ波による移相量を精度よく検出するために水晶発振器のような高精度のマイクロ波発信機等が必要であり、そのため高価な装置を使用することが必要となって、測定のためのコストが嵩んでしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、マイクロ波の発信精度等がそれほど高くなくても、正確に移相量を検出することができ、低コスト且つ安定した被測定物の物理量を測定することができる物理量の測定方法及び測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１記載の発明は、マイクロ波発信手段から発せられたマイクロ波の基準出力と被測定物を介して伝播したマイクロ波の出力とを比較して得られる移相量を検知し、該移相量に基づいて当該被測定物の物理量を測定する物理量測定方法において、前記基準出力は、その波形の周期に対応する波形の１周期である３６０度の自然数倍とされつつ被測定物を介して伝播した出力の波形に対応する波形と比較され、前記移相量が求められることを特徴とする。
【０００８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の物理量の測定方法において、前記移相量及びマイクロ波の減衰量に基づき被測定物の含水率を算出することを特徴とする。
【０００９】
請求項３記載の発明は、マイクロ波を送信し得るマイクロ波発信手段と、該マイクロ波発信手段にて発信されたマイクロ波における被測定物を介して伝播した出力を受信し得るマイクロ波受信手段と、前記マイクロ波発信手段で送信されたマイクロ波の基準出力と、前記マイクロ波受信手段で受信されたマイクロ波の出力とを比較して移相量を検出する比較演算手段とを具備し、前記比較演算手段にて検出された移相量に基づき被測定物の物理量を測定する物理量の測定装置において、前記基準出力の波形の周期に対応する波形の１周期である３６０度の自然数倍に変換する変換手段を具備したことを特徴とする。
【００１０】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の物理量の測定装置において、前記マイクロ波受信手段で受信された出力から減衰量を検出する減衰量検出手段を具備し、当該減衰量及び前記移相量に基づき、被測定物の含水率を求めることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１及び請求項３の発明によれば、マイクロ波の発信精度等がそれほど高くなくても、正確に移相量を検出することができ、低コスト且つ安定した被測定物の物理量を測定することができる。
【００１２】
請求項２及び請求項４の発明によれば、マイクロ波の発信精度等がそれほど高くなくても、低コスト且つ安定した被測定物の含水率の測定が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら具体的に説明する。
本実施形態の物理量の測定装置は、茶葉の含水率測定装置に適用されたもので、当該含水率測定装置は、図１１に示すように、製茶工程における粗揉機１に配設され、該粗揉機１で揉乾加工中の茶葉の含水率を測定するためのものである。かかる粗揉機１に配設された含水率測定装置２は、当該粗揉機１による揉乾加工中に茶葉を適宜採取し、検出手段１５及び算出手段１６（図４参照）で含水率を算出し得るよう構成されている。
【００１４】
尚、揉乾加工前、或いは揉乾加工後の茶葉の含水率を測定するよう構成してもよい。また、同図中符号８、１７、１８及び１９は、それぞれ粗揉機１を制御する制御盤、熱風を発生するための熱風発生機、熱風を導入するための熱風ダクト及び加工後の茶葉を取り出すための取出扉を示している。
【００１５】
この含水率測定装置２は、図１に示すように、茶葉を収容し得る収容空間Ｓを有したもので、かかる収容空間Ｓは、固設の底板３と、エアシリンダ７により同図中上下方向に移動可能な計測板４と、エアシリンダ６により同図中左右方向に移動可能な排出板５と、同図手前及び奥側に固設された側板（図示せず）とに囲まれて形成されている。
【００１６】
即ち、収容空間Ｓは、下方が底板３、上方が計測板４、側方が一対の側板及び後ろ側が排出板５で囲まれた空間とされており、当該排出板５と対向する側（前側）が開口して開口部Ａを形成したものである。この開口部Ａは、粗揉機１の加工室（茶葉を揉乾する室）内に臨むよう形成されており、かかる開口部Ａにより、加工室内で揉乾加工中の茶葉を収容空間Ｓ内へ導入、又は含水率の測定が終了した茶葉の収容空間Ｓからの排出を行い得るようになっている。
【００１７】
計測板４は、底板３の上方に所定寸法離間して配設された板状部材から成り、エアシリンダ７によって当該底板３に対し近接又は離間方向に移動可能とされている。即ち、茶葉を収容空間Ｓに採取する際は、計測板４は、底板３と離間した位置とされており、含水率の測定の際には、図５に示すように、当該底板３に近接して収容空間Ｓ内の茶葉を加圧し得るようになっている。尚、計測板４の端部（開口部Ａ側）には、シャッター９が形成されており、開口部Ａを開閉可能としている。
【００１８】
排出板５は、底板３及び計測板４と同様、板状部材から成り、エアシリンダ６により、その計測板４と底板３との間隙部を摺動し得るよう構成されていている。即ち、図１の状態からエアシリンダ６が駆動すると、図６に示すように、排出板５が収容空間Ｓ内に入り込んで、当該収容空間Ｓ内の茶葉を開口部Ａから排出し得るようになっている。尚、かかる排出板５の下端（底板３の上面と当接する側）にスクレーパ等の払拭手段を設けるようにしてもよい。
【００１９】
底板３は、その上面が収容空間Ｓに面しつつ所定角度傾斜して配設され、開口部Ａから導入した茶葉を載置し得る板状部材から成るものである。即ち、開口部Ａ側から排出板５側に亘って所定角度下方へ傾斜しているので、収容空間Ｓ内の茶葉が自然と開口部Ａから落下してしまうのを回避している。かかる底板３の上面には、図２に示すように、収容空間Ｓに収容された茶葉の含水率を測定すべきマイクロストリップ線路１０が形成されている。このマイクロストリップ線路１０は、底板３の縁に沿って形成されているため、収容空間Ｓの略全域を測定し得るようになっている。
【００２０】
また、マイクロストリップ線路１０は、図３に示すように、保護板１４、ストリップ導体１１、誘電体１２及び導体板１３が積層して成るものであり、このうちストリップ導体１１及び導体板１３の間にマイクロ波を発振し得る発振器Ｐが接続されているともに、その発振されたマイクロ波を受信すべく他端に受信器Ｑが接続されている。ストリップ導体１１の表面（即ち、収容空間Ｓに面した側）には、アクリル等から成る保護板１４が形成されている。
【００２１】
一方、ストリップ導体１１と導体板１３とは誘電体１２を介して対向するよう配設されている。尚、ストリップ導体１１及び導体板１３は、銅或いは金等の金属から成るものとするのが好ましく、誘電体１２は、ガラスエポキシ或いはセラミックを用いるのが好ましい。また、ストリップ導体１１（即ち、マイクロストリップ線路１０）の平面視配設パターンは、図２のものに限定されず、種々パターンを成して形成されていてもよい。
【００２２】
そして、発振器Ｐから発振されたマイクロ波は、マイクロストリップ線路１０を伝播する過程において種々の損失（導体損失、誘電体損失及び放射損失）を生じてレベルが低下した後、受信器Ｑにて受信される。ここで、マイクロストリップ線路１０上に茶葉が位置しない状態で発振器Ｐからマイクロ波を送出するとともに、受信器Ｑにて受信し、発振器Ｐの送信レベル（出力レベル）と受信器Ｑの受信レベル（入力レベル）との差を基準値としておく。
【００２３】
一方、収容空間Ｓ内に茶葉を導入し、底板３に計測板４を近接させることにより茶葉を加圧した状態において、発振器Ｐからマイクロ波を送出すると、上記損失に加えて、茶葉中に含まれる水分にマイクロ波が吸収されることによる損失が生じるので、送信レベルと受信レベルとの差から更に基準値を差し引いた値が、茶葉中の水分によるマイクロ波の減衰量となる。
【００２４】
具体的には、マイクロ波の減衰量をΔＡとした場合、該減衰量ΔＡは、茶葉の含水率Ｍ（％）、収容空間Ｓに収容された茶葉の密度ρ（ｋｇ／ｍ３）、茶葉のマイクロストリップ線路上の長さ（実効測定長）Ｌ（ｍ）及び茶葉の温度Ｔの関数Ｇ及びＱで表すことができる。即ち、ΔＡ＝Ｇ（Ｍ、ρ、Ｌ、Ｔ）＝ρＬＧ’（Ｍ、Ｔ）なる関係式が成り立つ。
【００２５】
尚、上記関係式は、マイクロストリップ線路１０上にある茶葉の高さが十分大きく、その高さの変化が測定値に影響を与えない範囲であることが前提とされる。また、特に、測定時間にそれほど長時間を費やすことがないので、茶葉の温度Ｔは一定であるという前提が成り立つ。そこで、上記関係式は、ΔＡ＝ρＬＧ”（Ｍ）（以下、関係式１という。）と簡略化することができる。
【００２６】
然るに、本実施形態に係る含水率測定装置２においては、上記減衰率ΔＡの他、マイクロ波の移相量Δφをも検出して、含水率を求めることとしている。具体的には、発振器Ｐ及び受信器Ｑは、減衰量ΔＡ及び移相量Δφを検出するための検出手段１５と電気的に接続されており、該検出手段１５で検出された減衰量ΔＡと移相量Δφとの比を算出手段１６が算出し得るよう構成されている。
【００２７】
マイクロ波の移相量Δφは、ΔＡと同一条件下、次式で表すことができる。即ち、移相量Δφ＝Ｑ（Ｍ、ρ、Ｌ、Ｔ）＝ρＬＱ’（Ｍ、Ｔ）なる関係式が成り立つ。上述と同様の理由で、茶葉の温度Ｔは一定であるという前提が成り立つので、上記関係式は、Δφ＝ρＬＱ”（Ｍ）（以下、関係式２という。）と簡略化することができる。
【００２８】
ところで、上述した関数Ｇ”（Ｍ）及びＱ”（Ｍ）は、含水率Ｍに対して１次関数として近時できるので、関係式１及び関係式２は、それぞれＧ”（Ｍ）＝ａ１Ｍ＋ａ２、Ｑ”（Ｍ）＝ｂ１Ｍ＋ｂ２と表すことができる。これらを用いて減衰量の移相量に対する比を求めると、ΔＡ／Δφ＝Ｇ”（Ｍ）／Ｑ”（Ｍ）＝（ａ１Ｍ＋ａ２）／（ｂ１Ｍ＋ｂ２）（以下、関係式３という。）となる。
【００２９】
かかる関係式３より、減衰量の移相量に対する比ΔＡ／Δφは、含水率Ｍのみの関数となり、密度ρ及び長さＬに影響されることなく含水率を測定することができることが分かる。更に、緑茶のような植物を測定すべき数ＧＨｚのマイクロ波においては、当該マイクロ波に対する減衰量は乾燥した状態ではほとんどゼロと見なすことができるので、上記関係式３は、更に簡略化することができ、以下の如き関係式とされる。即ち、ΔＡ／Δφ＝ａ１／ｂ１×（１−１／（ｂ１／ｂ２）Ｍ＋ｂ２）なる関係式４が導かれ、該関係式４を用いて算出手段１６が茶葉の含水率Ｍを求める。
【００３０】
ここで、本実施形態に係る含水率測定装置２においては、移相量Δφを検出すべく検出手段１５に図７で示す如き比較演算手段としての回路を有している。同回路は、発信器Ｐと接続された位相調整回路２０と、変換手段としてのＪＫフリップフロップから成る変換回路２１と、基準出力αを形成する積分回路２２と、受信器Ｑと接続されたＲＳフリップフロップから成る位相比較回路２３と、伝播出力βを形成する積分回路２４とを有して構成されている。
【００３１】
発信器Ｐから入力された基準信号は、例えばヘテロダイン検波にて検出された後、位相調整回路２０へ送信され、該位相調整回路２０で０点調整が行われる。かかる調整された後の基準信号の波形は、図８に示すように、半周期が１８０度の正弦波α１であるが、変換回路２１にてその半周期の周期に対応する波形の１周期である３６０度の矩形波α２（図９参照）に変換され、積分回路２２にて平均化されてＤＣ電圧となり、基準出力αとされる。
【００３２】
一方、受信器Ｑから入力された伝播信号は、例えばヘテロダイン検波にて検出（図８における正弦波β１として検出）された後、位相比較回路２３に送信され、該位相比較回路２３で位相調整回路２０にて調整された基準信号との比較が行われる。かかる比較回路２３から出力された信号は、図１０に示すように、図８の移相量φに相当する矩形波β２となり、積分回路にて平均化されてＤＣ電圧となり、伝播出力βとされる。
【００３３】
その後、積分回路２４を経た伝播出力βの積分回路２２を経た基準出力αに対する比較が算出手段１６にて行われ、移相量φが求められるのである。このように、移相量φを求める過程において、通常では１８０度の矩形波の出力との比較が行われるのに対し、本実施形態においては、図９に示すような３６０度の矩形波の出力との比較が行われるため、発信器Ｐ、ヘテロダイン検波器及び波形整形器等があまり高精度のものを使用しなくても、周波数変動や波形歪みを吸収でき、常に安定した移相量の検出を行うことができる。即ち、発信器Ｐ等の精度があまりよくなく、例えば図８における０点の位置が上下にずれたり或いはノイズにより波形が左右にずれて、矩形波とした際に非対称な方形となってしまっても、移相量φを確実に検出することができる。
【００３４】
尚、検出手段１５には受信器Ｑと電気的に接続された減衰量検出手段（不図示）が形成されており、かかる減衰量検出手段にて検出された減衰量（受信器Ｑで受信された出力から減衰量を既述の如く検出）と上記の如く検出された移相量φとの比較において、茶葉の含水率が求められることとなる。従って、移相量φが上述の如く安定して検出されるので、茶葉の含水率も安定して検出することができる。
【００３５】
次に、上記構成の含水率測定装置２における作用について説明する。
粗揉機１による揉乾作業中において、シャッター９を開いて開口部Ａを粗揉機１の加工室に臨ませておく。これにより、粗揉機１の揉乾作用で上方へ浚われた茶葉の一部は、開口部Ａから入り込み、収容空間Ｓに収容されることとなる。該収容空間Ｓに所定量の茶葉が収容された時点で、エアシリンダ７が駆動して計測板４が底板３に近接する方向に移動し、図５に示すように、収容空間Ｓ内の茶葉を加圧する。
【００３６】
その状態にて発振器Ｐからマイクロ波を発振するとともに受信機Ｑで受信し、検出手段１５で減衰量ΔＡ及び移相量φを検出する。ここで検出される移相量φは、既述の如く、半周期が３６０度とされた基準出力と茶葉を介して伝播した出力との比較において求められる。続いて、算出手段１６により関係式４（関係式３であってもよい。）を用いて減衰量ΔＡの移相量Δφに対する比を求め、該比から含水率Ｍ（％）を算出する。かかる算出手段１６で用いられる関係式４が密度ρ及び長さＬをパラメータとしていないため、これら密度ρ及び長さＬに影響せず含水率Ｍ（％）を求めることができる。
【００３７】
即ち、減衰量の移相量に対する比を求めることにより、含水率Ｍを求めるための関係式から密度ρ及び長さＬなるパラメータを排除することができるので、測定値の不安定要素であった当該密度ρ及び長さＬなる２つのパラメータを把握する必要がなく、マイクロストリップ線路を用いて高含水率の茶葉をも正確に測定することができるのである。
【００３８】
上記した一連の含水率測定が終了すると、エアシリンダ７が駆動して計測板４が元の位置（図１で示した位置）まで戻り、茶葉に対する加圧作用が解かれるとともに、エアシリンダ６が駆動して排出板５が収容空間Ｓ内まで摺動する（図６参照）。これにより、収容空間Ｓ内の茶葉が開口部Ａから排出され、粗揉機１の加工室に戻されるのである。その後、エアシリンダ６が駆動して排出板５が元の位置（図１で示した位置）まで戻り、次の含水率測定までの待機状態とされる。
【００３９】
このように、排出板５が収容空間Ｓ内において摺動可能とされ、当該収容空間Ｓ内の茶葉を粗揉機１の加工室に戻すことができるので、茶葉の収容空間からの排出を作業者が行うものに比べ、含水率測定作業における一連の動作を自動で行うことができ、作業性を向上させることができる。
【００４０】
以上、本実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば図７における変換回路２１のＪＫフリップフロップを複数接続させることにより、基準出力が、その波形の周期に対応する波形の１周期である３６０度の自然数倍としてもよい。但し、この場合の自然数とは０を含まない。また、マイクロ波の減衰量と移相量との比により茶葉の含水率を求めるものに限らず、他の演算方法（例えば、従来の如く密度ρ及び長さＬなるパラメータを用いた演算方法など）によりマイクロ波の減衰量と移相量とから含水率を求めるようにしてもよい。即ち、移相量の算出方法が、茶葉を介して伝播した出力（より具体的には、茶葉を介して伝播した出力の波形に対応する波形）と比較されるべき基準出力が、その波形の周期に対応する波形の１周期である３６０度とされれば足り、その後の演算方法は如何なるものであってもよいのである。
【００４１】
更に、本実施形態においては、茶葉の含水率を測定する含水率測定装置に適用されているが、茶葉以外の被測定物の含水率を求めるものに適用してもよく、含水率以外の物理量を求めるものに適用してもよい。即ち、マイクロ波の移相量に基づき被測定物の何らかの物理量を求める際にも本発明を適用することができ、それによりマイクロ波の発信精度等がそれほど高くなくても、正確に移相量を検出することができ、低コスト且つ安定した被測定物の物理量を測定することができるのである。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
基準出力がその波形の周期に対応する波形の１周期である３６０度の自然数倍とされつつ被測定物を介して伝播した出力と比較され、移相量が求められるものであれば、外観形状が異なるもの或いは他の機能が付加されたものにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施形態に係る含水率測定装置を示す縦断面模式図
【図２】同含水率測定装置におけるマイクロストリップ線路を示す模式図
【図３】図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図
【図４】同含水率測定装置における発信器、受信器、検出手段及び算出手段の接続関係を示すブロック図
【図５】図１において計測板４が底板３に接近した状態を示す模式図
【図６】図１において排出板５が収容空間Ｓ内まで摺動した状態を示す模式図
【図７】同含水率測定装置において検出手段に形成された移相量を求めるための回路を示す回路図
【図８】同含水率測定装置において検出手段に入力される基準出力及び伝播出力を示す正弦波
【図９】同含水率測定装置において、基準出力の波形の周期に対応する波形を示す矩形波
【図１０】同含水率測定装置において伝播出力として出力される矩形波
【図１１】同含水率測定装置が適用される粗揉機を示す全体模式図
【符号の説明】
【００４４】
１    粗揉機
２    含水率測定装置（物理量の測定装置）
３    底板
４    計測板
５    排出板
６、７  エアシリンダ
８    制御盤
９    シャッター
１０  マイクロストリップ線路
１１  ストリップ導体
１２  誘電体
１３  導体板
１４  保護板
１５  検出手段
１６  算出手段
１７  熱風発生機
１８  熱風ダクト
１９  取出扉
２０  位相調整回路
２１  変換回路（変換手段）
２２  積分回路
２３  位相比較回路
２４  積分回路
【図１】
2005265496.tif 000003
【図２】
2005265496.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2005265496.tif 000007
【図６】
2005265496.tif 000008
【図７】
2005265496.tif 000009
【図８】
2005265496.tif 000010
【図９】
2005265496.tif 000011
【図１０】
2005265496.tif 000012
【図１１】
2005265496.tif 000013